铰链四杆机构的基本性质教案.docx
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铰链四杆机构的基本性质教案
铰链四杆机构的基本性质
课 题
铰链四杆机构的基本性质
课 时
2课时
教学内容
铰链四杆机构的基本性质
教学目标
知识目标：
1.理解铰链四杆机构的基本特性；
2.能够利用曲柄存在条件判断机构类型；
3.掌握急回特性系数、急回特性、死点位置等概念。
能力目标：
1.分析，判断、解决问题的能力；
2.动手能力，创新能力
情感目标：
1.通过理论教学，再联系实际，有效的激发学生的学习兴趣，做到理论联系实际，充分调动学生的学习积极性和主动性。
2.通过对基本性质的分析，锻炼学生自我分析能力，调动其
主观能动性。
教学方法
多媒体演示法、模具展示法、推理演绎法、典型例题法、启发式
教 具
铰链四杆机构多媒体课件、一对三角板、圆规、铰链四杆机构模型
一、教材分析
1、教学对象分析
学生在前面章节中已经学习了典型的机械传动知识，对机械基础课程有一定的认识，具备基本的分析机构特性的能力。
技工学校的学生由于知识基础较差，对知识的理解、转移和迁徙的能力还不够强，我们的培养目标是技能的培养，学生重操作技能轻理论学习，导致对理论学习的兴趣不够浓厚。
2、教学内容
“铰链四杆机构的基本性质”是全国中等职业技术学校机械类专业通用教材《机械基础》第五章第二节的内容。
3、教学内容的分析处理
《机械基础》课程主要内容包括常用机械传动、常用机构、轴系零件及液压传动。
第五章“平面四杆机构”是学生在学完机械传动后学习的第一中常用机构，而铰链四杆机构在实际生产和生活中应用广泛，它的学习将对今后的生产实践与创新产生很大影响。
本次课学习的“铰链四杆机构的基本性质”是本章的重点内容，既是第一节内容的归纳总结，又是后续章节的基础，是培养学生推理分析问题、解决实际问题的工作能力过程。
机械基础这门课的教学要求之一是：
能作简单的有关设计计算和创新。
这一节的内容在教材中起承上启下的作用，其教学的成败，将对后续内容的掌握起到决定性作用。
为了激发学生的学习热情，提高学生注意力集中程度，充分发挥学生的主动性和创新意识，我的做法是：
1）通过上一次课的学习，让学生自己动手制作一个铰链四杆机构模型，增加学生的学习兴趣和动手能力；
2）利用课件形式增加动画欣赏，起到丰富教学内容、理论联系实际、加强专业知识素养，使学生明确学习目的，从而使学习兴趣和主动性增强。
3）针对学生基础知识薄弱，理解能力不够强的特点，对“曲柄存在条件”、“急回特性”、“死点位置”进行动画演示和公式推导，增加对应的例题讲解和相应的课堂学习。
4、教学目标
知识目标：
1.理解铰链四杆机构的基本特性；
2.能够利用曲柄存在条件判断机构类型；
3.掌握急回特性系数、急回特性、死点位置等概念。
能力目标：
1.知识的获取、消化、吸收的能力；
2.分析、判断、解决问题的能力；
3.动手能力，创新能力。
情感目标：
1.通过理论教学，再联系实际，有效的激发学生的学习兴趣，做到理论联系实际，充分调动学生的学习积极性和主动性。
2.通过对基本性质的分析，锻炼学生自我分析问题的能力，调动其主观能动性。
二、教学重点与难点
1.教学重点
1）曲柄存在条件以及铰链四杆机构的类型判别；
2）急回特性、死点位置的分析。
2.教学难点
1）利用曲柄存在条件判断四杆机构是否存在曲柄及其机构类型；
2）存在急回特性的原因及实际应用；
3）死点位置的分析及实际应用。
三、学习误区导航
在教学过程中，针对以前学生容易理解错误的地方及作业易犯的毛病，应注意以下几个问题：
1）学生在利用曲柄存在条件判断曲柄是否存在时易出错。
原因及解决方法：
学生在分析问题时考虑问题不全面，容易忽略其中某一个条件，而导致判断出错。
因此，上课时要重点强调两个条件必须同时满足，缺一不可。
2）在判别铰链四杆机构基本类型时，学生易出错。
原因及解决方法：
由于铰链四杆机构类型判别条件多，学生难以入手，死记硬背容易判断出错。
因此利用图表的形式，帮助学生记忆，从而掌握判别条件。
3）针对不同条件而产生的两种双摇杆机构，学生容易当成一种。
原因及解决方法：
由于都是双摇杆机构，对于学生而言很容易不注意条件而把两者混为一谈。
要明确告诉学生两者有本质区别：
即连杆是否可以做整周转动。
4）将“死点位置”与“自锁现象”当成一回事。
原因及解决方法：
“死点”与“自锁”都是机构不能运动，从这方面来看有相似处。
但要让学生明白二者有本质区别。
强调指出“自锁”是由于机构中存在摩擦的缘故，而当连杆机构处于“死点位置”即使不存在摩擦，机构也仍然不能运动。
5）学完“死点位置”后，误以为只要是曲柄摇杆机构就有死点位置。
原因及解决方法：
对死点位置存在条件有忽略。
提醒学生注意在曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，不存在死点位置；只有当曲柄为从动件，摇杆为主动件时，才存在死点位置。
四、教学方法
1.教法
根据本次课的内容及特点，为了有效地理解重点，攻克难点，按照学习过程中的认知规律，采用以兴趣为宗旨，以启发为思路，以直观为手段，以导带学，以练为主的教学方法。
具体教法如下：
1）多媒体演示法——利用多媒体课件激发学生的学习兴趣。
2）模型演示法——利用简单的铰链四杆机构模型，演示曲柄存在条件等性质，让学生形象直观的掌握重点。
3）启发式教学——在讲完铰链四杆机构的类型判别后，引导学生举处生活中常见的四杆机构实例，加深理解，做到理论联系实际。
4）典型例题讲解法——选几道典型例题进行分析讲解，教会学生分析问题的方法。
2.学法
教与学是相辅相成的双边活动，教师的教法首先要让学生理解和接受，学生才能在教师的主导作用下发挥主体地位，主动学习，主动掌握学习方法，将学习作为一件快乐和自觉的行为。
让学生在“回顾旧知?
模型展示?
以旧连新?
单个掌握?
组合应用?
例题讲解?
归纳总结”的认知过程中，自主参与到各个阶段的活动中来，体验学习乐趣，达到提高学习效率和培养创新意识的目的。
五、教学手段
本次课将利用多媒体课件、模型等教学手段，把静态、抽象、难以想象的四杆机构转化为动态、具体、直观的虚拟模型，再配给真实模型把虚拟事物实际应用化，使学生的理论学习与生产实践相结合，做到活学活用。
六、教学过程设计
教学过程是学生认知的过程，是技巧掌握、技能形成、能力发展及情趣与作风培养的主要途径，为达到预期的教学目标，我对整个教学过程进行了规划与设计，根据学生的认知过程，明确难点，对症下药，使学生达到事半功倍的效果。
本次课的主要教学过程有八个：
1）回顾旧知，模型展示，导入目标（8分钟）
2）演示导学，明确重点（2分钟）
3）分解重点难点，综合应用（25分钟）
4）误区与学法导航（10分钟）
5）典型例题讲解，综合应用（25分钟）
6）学生练习，教师巡回指导、难点提示（10分钟）
7）归纳小结，布置作业（5分钟）
8）学生复习，解答疑惑（5分钟）
七、教学过程
时间
分配
教学内容
教学过程
教学方法
复
习
导
入
新
课
︵
约
10
分
钟
︶
（一）组织教学（2分钟）
考勤，调节课堂气氛（教师表扬所观察到的一些积极现
象），调动学生主动参与到课堂中来，做好学习前的思想、情绪准备工作。
组织教学引起学生注意
激励法
表扬法
（二）回顾旧知（3分钟）
教师：
1.什么是铰链四杆机构？
学生：
机构间用四个转动副相连的平面四杆机构，称为平面铰链四杆机构，简称铰链四杆机构。
教师：
2.机架、连杆、曲柄及摇杆的定义。
学生：
机架——铰链四杆机构中，固定不动的构件。
连杆——机构中不与机架相连的构件。
曲柄——与机架用转动副相连且能绕该转动副轴
教师提问
学生回答
讲授法
时间分配
教学内容
教学过程
教学方法
续
复
习
导
入
新
课
线整圈旋转的构件。
摇杆——与机架用转动副相连但只能绕该转动副轴线摆动的构件。
教师：
3.铰链四杆机构有几种基本类型，分别是什么？
学生：
3种。
分别是：
曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。
教师提问
学生回答
讲授法
（三）模型展示，新课导入（3分钟）
利用铰链四杆机构的模型和动画演示，向学生展示取不同构件作机架可以得到三种基本类型：
曲柄摇杆机构。
双曲柄机构、双摇杆机构。
教师提出问题：
1）都是铰链四杆机构为什么有的有曲柄，有的没有;2）同一个运动链，若选用不同构件作为机架，则有的有曲柄有的没有，为什么？
（通过提问，激发学生学习兴趣和学习动力）
教具演示启发学生思考
演示法
启发法
（四）教学内容介绍（2分钟）（让学生了解学习目标）
学习目的：
1）曲柄存在条件及判断铰链四杆机构类型；
2）分析急回特性和死点位置。
重点与难点：
四杆机构类型判别及急回特性、死点位置产生原因。
教师引出教学目的及重、难点
引导法
新
课
讲
解
︵
约
25
分
钟
︶
（一）曲柄存在条件（重点与难点内容）
教师请同学们测量自己制作的铰链四杆机构模型中各
杆件的长度，并描述该模型的运动特性，然后引导学生思
考：
曲柄存在条件是否与各杆件的长度有关系？
从而引出曲柄存在条件的证明过程。
1.曲柄存在条件（画出图5－17写出证明过程，并结合动画演示，便于学生理解）
设曲柄AB、连杆BC、摇杆CD和机架AD的杆长分别为a,b,c,d。
模型演示
启发提问
动画演示
演示法
引导法
时间分配
教学内容
教学过程
教学方法
续
新
课
讲
解
φ
Φ1
Φ2
（图5－17）
证明:
当构件AB与BC在B1点共线是，由△AC1D可得：
b-a+c≥d
b-a+d≥c
当构件AB与CD在B2点共线是，由△AC2D可得：
a+b≤c+d
综合两种情况有 a+d≤b+c
a+c≤b+d （5-1）
a+b≤c+d
将式（5-1）中的三个不等式两两相加，经简化后可得
a≤b;a≤c;a≤d （5-2）
由此得出曲柄存在条件:
（1）连架杆与机架必有一个是最短杆；
（2）最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。
2.铰链四杆机构类型判别（难点内容）
由于铰链四杆机构类型判别所依据的原则是曲柄存在条件及推论，条款很多，学生觉得难以入手。
通过绘制框
图，帮助学生记忆。
从图形学生可以形象地领会各构件的
教师讲解
得出结论
图示法
讲授法
推理法
时间分配
教学内容
教学过程
教学方法
续
新
课
讲
解
联系和区别。
lmin=l1,l2,l3,lmax=l4
lmin+lmax≤l2+l3
考察固定构件
双摇杆机构
双曲柄机构
曲柄摇杆机构
双摇杆机构
是 否
固定lmin杆
固定lmin的相邻杆
固定lmin的对面杆
（类型判别框图）
为了使学生更好的掌握重点，以日常生活中的例子加深印象，帮助理解。
教师：
请同学们举例说出生活中常见的四杆机构并说明属于哪一种类型。
（提示学生回顾已学知识）
学生：
缝纫机踏板机构（曲柄摇杆）、牛头刨床的横向进给机构（曲柄摇杆）、汽车前的刮雨器（双曲柄）、摇头扇中的机构（双摇杆）等等。
学生回答时，老师用动画演示相应的机构，做到直观形象。
在学生观察牛头刨床的横向进给机构时，提醒学生注意其运动特点，引出下一个重难点。
（二）急回特性
1.存在急回特性原因分析（难点内容）
老师利用图形讲解，教会学生正确判断机构类型的方法。
举例加深学生对四杆机构的理解，做到理论
联系实际
图示法
举例法
启发式
演示法
时间
分配
教学内容
教学过程
教学方法
续
新
课
讲
解
教师：
请学生说出牛头刨床横向进给机构的运动特点。
学生：
曲柄等速运动，而摇杆却不是等速摆动。
然后利用图5－17和动画演示进行分析。
为了有助于学生更好的理解急回特性，先说明以下概念。
极位——摇杆摆动的极限位置。
摆角——摇杆两极限位置间的夹角，用φ表示。
极位夹角——摇杆处于左、右两极限位置时，曲柄两位置所夹的锐角。
用θ表示。
原因分析：
曲柄AB以等角速度顺时针转动时，自AB1转到AB2时，转过角度为φ1，摇杆CD自C1D摆动到C2D，摆角为φ，设所需时间为t1，C点的平均速度为v1（工作行程）；
曲柄AB继续转动由AB2回到AB1，转过角度为φ2，摇杆CD又重新回到C1D，摆角不变，设所需时间为t2，C点的速度为v2（空回行程）；由图知：
φ1>φ2，所以t1>t2，又因为两次转动摆角相同，则
v2>v1。
即曲柄AB在作等速转动时，摇杆CD在C1D与C2D之间作摆角为φ的往复摆动，且往复两次摆动所用时间不同，平均速度也不同。
从而引出急回特性的概念。
2.急回特性概念（重点内容）
急回特性：
曲柄摇杆机构中，曲柄虽作等速运动，而摇杆摆动时空回行程的平均速度却大于工作行程的平均速度，这种性质称为急回特性。
可以用急回特性系数K（又称为
通过动画演示，启发学生说出急回特性的运动特点。
分析原因，得出急回特性的概念。
演示法
启发式
图示法
推理法
时间
分配
教学内容
教学过程
教学方法
续
新
课
讲
解
行程速度变化系数）表示：
K＝从动件空回行程平均速度/从动件工作行程平均速度
＝v2/v1=t1/t2=φ1/φ2=180○+θ/180○-θ （5-3）
结论：
1）θ＝0○，K＝1，机构无急回特性；
2）θ>0○，机构有急回特性，且θ越大，急回特性越显著。
优点：
空回行程的时间缩短，有利于提高生产率。
然后再通过举例（往复式运输机）和动画（牛头刨床）
说明急回特性的应用，做到理论联系实际，让学生更好的理解其实用。
（三）死点位置
首先请同学们想一想使用缝纫机时若出现踏不动会怎么处理。
同学会说要用手转一下轮子。
让学生思考为什么。
然后教师再利用教具铰链四杆机构演示，让学生观察当连杆与从动件曲柄处于共线位置时，有什么情况发生。
再结合图5－18讲解。
教师：
请同学回答当连杆与从动件曲柄处于共线位置时，有什么情况发生？
学生：
无论用多大的力，曲柄均不能转动。
（图5－18）
1.死点位置
在曲柄摇杆机构中，取摇杆为主动件，曲柄为从动件时，
得出与急回特性有关的结论，通过实例说明应用。
用教具引入死点位置的概念，并通过演示说明其特点。
举例法
演示法
启发式
演示法
图示法
时间
分配
教学内容
教学过程
教学方法
续
新
课
讲
解
连杆与从动件曲柄两次共线的位置。
（总结：
平行四边形机构有两个死点位置，双摇杆机构有一个死点位置）
2.特点
无论在摇杆上施加多大的驱动力，均不能使从动件曲柄转动，且转向不能确定。
3.克服死点位置的解决方法
（通过刚刚举过的缝纫机的例子，说明解决方法。
）
对从动曲柄施加外力，或利用飞轮及构件自身的惯性作用，使机构通过死点位置。
同时应提醒学生注意并非所有死点位置都有害。
用课本图5－19说明如何利用死点位置夹紧工件。
利用例子说明解决方法。
举例法
误
区
与
学
法
导
航
︵
约
10
分
钟
︶
问题1.曲柄是否存在判断出错
解答：
强调曲柄存在的两个条件必须同时满足，缺一不可。
问题2.针对不同条件而产生的两种双摇杆机构，学生容易当成一种。
（结合类型判别框图说明）
解答：
强调指出二者的本质区别：
前者双摇杆机构的连杆只能做摆动，而后者的连杆却能整周转动。
问题3：
将“死点位置”与“自锁现象”当成一回事。
解答：
“自锁”是由于机构中存在摩擦的缘故，而当连杆机构处于“死点位置”既使不存在摩擦，机构也仍然不能运动。
二者有本质区别。
问题4：
学完“死点位置”后，误以为只要是曲柄摇杆机构就有死点位置。
解答：
当曲柄为主动件时，不存在死点位置；只有当曲柄为从动件，摇杆为主动件时，才存在死点位置。
机构死
点位置只限于机构的两个极限位置，稍有偏离就不再是死点位置。
教师举例分析帮助学生理解，为后面学习做进一步铺垫
引导法
讲授法
时间
分配
教学内容
教学过程
教学方法
例
题
讲
解
及
综
合
应
用
︵
约
25
分
钟
︶
例1：
根据图1中所注明的尺寸判断下列铰链四杆机构的类型。
1） 2）
3） 4）
分析：
找出最短杆、最长杆然后根据机构类型判别条件求解。
解：
1）∵40＋70≤60+55
由机构类型判别条件知该机构为双摇杆机构。
2）∵40+70≤60+55固定构件是最短杆
∴该机构为双曲柄机构
3）∵40+70≤60+55，固定构件是最短杆的相邻杆
∴该机构为曲柄摇杆机构
4）∵40+70≤60+55，固定构件是最短杆的对面杆
∴该机构为双摇杆机构（提醒学生该双摇杆与第一题的区别：
该机构的的连杆能做整周转动）
技法指导：
能正确判断最短杆，最长杆以及机架用的是哪个构件。
例2：
在下图所示的铰链四杆机构中，已知lAB=25mm,lBC=55mm,lCD=40mm,lAD=50mm.试求：
1）问该机构是否有曲柄？
如有，指明哪个是曲柄。
2）该机构是否有摇杆？
若有，用作图法求出摇杆的摆角范围。
3）以AB为主动件时，该机构有无急回运动？
用作图法求解极位夹角θ，并计算行程速度变化系数K。
Θ φ
教师分析
学生参与
激励法
表扬法
时间
分配
教学内容
教学过程
教学方法
续
例
题
讲
解
及
综
合
应
用
分析：
利用类型判别条件及急回特性的原因求解。
解：
1）∵lmin+lmax=lAB+lBC=80mm
其它两杆之和＝lAD+lCD=90mm
即 lmin+lmax＜其它两杆之和，且连架杆为lmin。
∴该机构为曲柄摇杆机构。
有曲柄，即AB杆为曲柄。
2）该机构为曲柄摇杆机构，故有摇杆。
由作图量得摆角范围：
φ＝90º。
3）有急回特性，且θ＝30º，故
K=180º+θ/180º-θ=1.4
技法指导：
本题为综合训练题，引导学生学会利用性质的推导过程和公式求解。
教师分析
学生参与
引导法
讲授法
激励法
学
生
练
习
教
师
指
导
︵
约
5
分
钟
︶
在下图所示的铰链四杆机构中，已知：
AB=450mm，BC=400mm，CD=300mm，AD=200mm。
试问以哪个杆件作为机架，可以得到曲柄摇杆机构？
如果以杆BC作为机架，会得到什么机构？
如果以杆AD作为机架，会得到什么机构？
以课件形式呈现练习题，教师巡回指导，根据学生掌握情况，作难点提示，学生解答，教师讲评。
课件展示，提示讲解法
归布
纳置
小作
结业
︵
5
分
钟
︶
（一）归纳小结（4分钟）
1.曲柄存在条件及推论（判别铰链四杆机构类型）；
2.急回特性概念，急回特性系数K的求解公式及结论；
3.死点位置概念及利弊。
最后为了便于学生记忆，总结以下口诀：
曲柄摇杆是基型，机构条件细分清。
曲柄主动有急回，曲柄从动死点停。
急回特性有K值，极位夹角相对应。
教师引导分析总结归纳
引导法
归纳法
（二）布置作业（1分钟）
1.教材P97页第9，11题；练习册P27第五题的第1小题。
2.课下复习本节内容，预习新课。
教师引导
分析难点
引导法
答疑
留下5分钟时间，让学生提问，解答疑惑。
自 学
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